电镀清洁生产技术改造宜从何处入手.doc

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电镀清洁生产技术改造宜从何处入手
蔡建宏
(南京表面处理研究会，江苏，南京 210022)

摘要：阐述了电镀企业进行清洁生产系统技术改造的必然性，提出了企业进行清洁生产技术改造时必须从源头采取措施(如采取间歇式逆流漂洗与喷淋清洗组合的清洗方式、设置回收槽、使用高频开关电源、改造加热设备等)，以节约水资源、回收流失的资源、减少污染物的产生、降低能耗、提高电镀生产过程的质量控制能力。
关键词：电镀；清洁生产；环境保护；节水；节能

1 技术改造的必然性
    由于电镀生产中使用有毒、有害原料，并且会排放有毒、有害物质，因此按照国家发改委和国家环保总局联合发布的《清洁生产审核暂行办法》的规定，电镀应属于强制性实施清洁生产审核的行业。
    实施清洁生产审核的目的，是为了通过对企业的具体生产工艺、装备、操作的调查和诊断，找出物耗高、能耗高、污染重的原因，提出减少有毒有害物质使用、降低能耗物耗以及减少废物产生的方案，进而选定技术经济及环境保护均可行的清洁生产方案，并指导电镀企业进行清洁生产技术改造和改进管理。
    长期以来，由于电镀企业一直奉行末端治理，在生产线的布局和工艺设计中，从不关注如何减少或避免污染物的产生、回用流失的资源、降低能耗、认真负责地控制排污的浓度和排污总量，尤其是那些地处乡镇的专业电镀厂，更因其技术素质差、装备陈旧、环境保护意识差、污染物排放严重失控等，造成了目前我国电镀行业的高消耗、高能耗、高污染的局面。
    清洁生产的理念与末端治理的思路背道而驰。清洁生产主张从源头削减污染，提高资源和能源的利用率，减少或者避免生产过程中污染物的产生，尽可能地回收利用生产过程中流失的资源，严格控制污染物的排放总量，而把末端治理仪仪当作是保护环境的一种具体手段而已。   
    如果长期奉行末端治理的电镀企业，要彻底摆脱高消耗、高能耗、高污染的粗放型生产模式，唯有从生产线的布局设计、工艺流程、工艺装备以及管理模式等方面着手，按照清洁生产和现代企业管理的理念，进行全面、系统的技术改造，才能真正创建实施清洁生产的条件。仅仅选用几项清洁生产技术替代污染严重的旧技术，更新一些装备，虽有可能实现某些电镀清洁生产评价标准中所规定的指标，但难以真正按照清洁生产的理念组织生产，实现经济效益和环境效益的统一以及企业的可持续发展。
    近年来，国内一些电镀工业较发达的城市，都在推动电镀工业园区的建设，拟将所有分散在城市内或市郊、乡镇的电镀企业迁入园区，消除分散污染，改善城市的生态环境。如果“电镀工业园”的建立，不是以“电镀企业必须实施清洁生产”为门槛、放弃“谁污染、谁治理”的原则，不利用园区的优势对企业末端治理后产生的达标废水和废渣等进行深化治理、回收利用或社会化处理的话，那么这种集中电镀企业于园区的做法，虽然能改变原来城市中电镀企业造成分散污染的状况，但必然会产生一个新的、更大的、危害更严重的集中污染源。
    企业通过一定的审核程序，找出物耗高、能耗高、污染重的原因并不很难，难就难在如何联系本厂的实际，选定技术经济及环境保护均可行的改造方案以减少有毒有害物质的使用、降低能耗物耗和减少废物的产生量。由于电镀生产线的建设比较复杂，因此在制定技术改造方案时，必需准备充足的时间进行调查分析，必要时应进行一定的试验，组织各方面专家进行多方案的技术经济性评定。生产线一旦建成，则很难再在生产流程中增添工序(哪怕只是增加几个水槽)，可谓牵一发而动全身，否则还会造成经济损失。
    既然实现清洁生产是电镀企业唯一的选择，那么技术改造便是企业创造实施清洁生产条件的唯一途径，企业应该抓紧时间，主动组织对本企业的清洁生产审核，争取足够的时间，筹划和制订本企业进行清洁生产技术改造的方案。
企业进行清洁生产的技术改造，应该坚持“技术是基础、设备是保证、管理是关键"的原则，并以下面4点为目标，衡量所选择的技术改造措施是否正确和到位：
    (1)从源头削减了污染源；
    (2)提高了资源、能源的利用率；
    (3)减少或避免了生产过程中污染物的产生，削减了污染物的排放总量；
    (4)对生产过程中产生的废水、废液、废渣进行了合理的综合利用和回收利用。
    国家发改委和国家环保总局已经联合发布了《电镀行业清洁生产评价指标体系(试行)》标准，其中所规定的各项定量和定性评价指标，已经反映了上述4方面的要求，因此电镀企业在选择技术经济及环境保护均可行的清洁生产技术改造措施时，现阶段应以达到《评价体系》中规定的各项指标和地方政府按照地方的需要所制定的与国家的政策、法规不相矛盾的有关指标作为依据。
     本文对电镀企业进行清洁生产技术改造的问题阐述一些看法，错误之处希望批评指正。

2改造从何处入手
    虽然企业生产过程产生物耗高、能耗高、污染重的具体原因和程度各不相同，所选定的技改方案也有所不同，但是造成我国电镀企业目前物耗高、能耗高、污染重的原因极具共性，因此技改应该从何处入手的问题，大体上也应该相同。
2．1首先从“治水”入手
    俗话说：“牵牛要牵牛鼻子。”电镀废水是造成环境污染的主要根源，因此技术改造就必须从治理电镀废水的源头入手。
    长期以来，人们低估了节约水资源的价值和环境遭到污染后对社会产生的危害性，高估了企业在管理和投资改造方面存在的困难，因而许多企业在生产过程中并不认真使用有效的清洗技术。在科学发展观的指引下，国家提出了“经济发展、环保优先”的原则，现在孰轻孰重已经明确，所以我们在技改中必须积极创新地运用各种有效的清洗技术，从源头开始治理电镀废水。譬如：
    (1)在电镀生产线上，应该普遍使用间歇式逆流漂洗与喷淋清洗组合的清洗方法，并对逆流清洗槽中的水进行空气搅拌，从而提高清洗水的利用率，大幅度降低新鲜水的用量。必须提醒的是，逆流清洗槽的结构设计必须正确合理，否则节水的效果会大打折扣。有条件的话，在自动线上应该考虑使用间歇式三级逆流漂洗与喷淋清洗组合的清洗方法，这样可以节约更多的水资源。在前处理和部分镀后处理的工序中，可在已经使用间歇式逆流漂洗与喷淋清洗组合的清洗方法的基础上，进一步采用“一水多用”的节水措施。比如，将清洗过酸洗或弱腐蚀工件的清洗水，用水泵输送到脱脂(或除油)后的清洗槽中，用于清洗脱脂(或除油)后的工件，以替代新鲜水。
    (2)  在工件镀后清洗的工序中，应使用回收清洗+间歇式逆流清洗与喷淋(或喷射)清洗组合的清洗方法，既保证清洗质量，又回收随工件带出槽外的镀液资源。用去离子水作为回收槽的清洗水，逆流清洗则仍可用自然水，用过之后排入下水道。这种清洗方法比单独使用间歇式逆流清洗与喷淋(或喷射)清洗组合的清洗方法更节约新鲜水，最适用于金属价格较贵的加热型镀种(如镀镍、镀铬等)的镀后清洗。还可以用回收槽的水来不断地补充镀液中水分的蒸发失耗，既回用了流失的资源，也减少了污染物数量。当将这种清洗方法用于非加热型镀液时，由于补充镀液水耗的需要量小，为了平衡回收槽中流失资源在水中的浓度和补充水耗量，则可采用加热浓缩回收液、增加回收槽数量、或适当提升镀液温度等措施。
    回收槽和逆流清洗槽配置的最佳数量，应根据镀种的不同和实现《电镀行业清洁生产评价指标体系(试行)》标准中所规定的定量化评价指标的要求，通过计算而定。曾有专家建议，镀后如果采用3个回收槽+间歇式三级逆流清洗的清洗方式，用去离子水进行回收清洗和逆流清洗，并配合定期翻槽等措施，可实现镀后清洗废水的微排放。如果减少回收槽和逆流漂沈槽的数量，其效果会相应降低。
    当使用回收槽回收流失的资源后，必然会出现镀液中杂质逐步积累的问题，这不是使用回收槽措施的过错，可以通过在镀槽旁配置一个辅助处理槽来解决。
辅助槽里同样装有镀液，通过连续过滤泵和管道，将两槽连通，保持镀液封闭循环。回收水不直接加到镀液中，而是加在辅助镀槽里，以“少吃多餐”的方式多频次地补充溶液水分和成分的消耗、同时在辅助槽中实与生产同步的电解(采用大面积阴极和低电流密度)或用除杂剂来处理镀液中的金属杂质，以防止镀液中杂质的积累。另外，还可以在辅助槽中安装加热或降温元件对镀液温度进行控制。
    当电镀废水排放数量大幅度减少后，不仅可以大幅度缩小废水末端治理设备的规模，还可以大幅度降低治理费用占生产成本的比例，同时也能实现废水浓度和污染物排放总量双达标。在此基础上，可进一步尝试使用“达标废水”作原料水，采用先进的反渗透膜处理技术和相应装备进行处理。由于所得到的透过水水质，可以达到电阻率≥100000Ω·cm的水平，即相当于去离子水的水，企业无需再专门配备去离子水制造设备。反渗透膜处理技术的使用不仅可实现废水的高质量回用，更标志着电镀工业进入了循环经济时代。
    企业实现了上述“治水”措施之后，在清洁生产审核时，就能顺利实现镀层金属原料综合利用率、水重复利用率、镀件带出的污染物产生量、工业新鲜水用量等定量评价指标和其它涉及节约用水的定性评价指标的达标，从而获得较高的评价总分。
2．2狠抓节能降耗
    能源也是资源，节约能源是国家的基本国策之一。这是一项具有约束力的指标，我们必须努力地实现它。电镀生产过程中浪费能源的地方非常多，节能的空间很大，因此电镀企业在进行清洁生产技术改造时必须依靠技术进步，尽力改变能耗高的现状。
2．2．1  更新电能浪费多、直流输出性能差的整流电源
在《电镀行业清洁生产评价指标体系(试行)》的定性评价指标中，已将“使用可控硅整流电源和高频开关电源”列为清洁生产定性评价指标之一。
    由于硅整流、可控硅整流电源等传统整流电源大而重、电能转换效率不高(低于80％)，虽然可控硅整流电源的稳压、稳流精度已较硅整流电源有明显的改善，但输出的直流电，仍有一定的纹波(纹波系数2％～5％)，这会影响电镀质量，人们虽曾不断地对其进行改进，但难有突破性的成果。
    高频开关电源是在高频开关状态下(大于30 kHz)将交流电转换成直流电，因此变压器、滤波器的体积大为缩小，电能转换效率显著提高(大于90％)，具有明显的节能效果，直流纹波系数可低于l％，有利于镀层质量的提高；高频开关电源具备完善的保护功能，因此安全可靠。自从大功率高频开关电源研制成功以后，以其取代硅整流、可控硅整流电源已成为必然趋势。
    技改时，必须淘汰那些型号旧、使用时间长、结构已因腐蚀而遭到明显损坏、直流输出性能差(纹波系数大，转换效率低)、已不再能保证电镀质量的硅整流电源和可控硅整流电源。若继续使用这些整流电源，不仅难以保证电镀质量，而且浪费电能。更新整流电源所需的费用，将很快地从更新以后1～2年内所节省的运行费用中得到补偿。
    目前高频开关电源市场竞争激烈，产品质量良莠不齐，为了防止购买中发生不必要的失误，笔者建议大家阅读《电镀与涂饰》杂志2006年第7期发表的由成都表面处理研究会的袁诗璞先生撰写的《对高频开关电源的困惑》一文，一定会有所裨益。
2．2．2  解决整流电源直流输出端线路压降损耗大的问题
    整流电源直流输出端线路压降损耗超过20％的企业非常普遍，但这一问题却很少引起人们的重视。线路压降损耗大，起因于从整流电源通向镀槽的整段传输低压直流电的线路各个环节的导电截面积过小、电接触严重不良。这些直流输出端线路压降损耗大的企业，每年将浪费数万度的电能，损失可观，决不能视而不见。
    为此，《电镀行业清洁生产评价指标体系(试行)》的定性评价指标中，已将“整流器直流输出端线路压降不超过10％”列为评价指标之一。
2．2．3  改造加热装备，合理使用热源，提高热能利用率
    电镀企业中浪费热能的地方也很普遍，因此技改时必须关注如何提高热能利用率的问题。
    (1)除非无法使用城市集中供应的蒸汽(热水)，否则企业不应再自行生产蒸汽来加热溶液。因为自行生产蒸汽，既不安全，热能利用率又非常低，浪费很大。
(2)电是二次能源，由于其清洁、控制方便、热效率高，越来越多的企业采用电加热的方式。由于电加热元件或蒸汽热交换器的传热面积和结构，直接关系到溶液的加热速度和热能的利用率，因此在选配电加热元件或管式热交换器时，必须经过认真的计算。当需要加热的溶液体积比较大(例如大于2 m3)，而且又有条件使用蒸汽或热水加热时，应考虑采用板式换热器，在槽外进行循环加热，因为这种加热器的传热效率明显高于管式热交换器，节能效果显著，而且结构紧凑、维修方便、不占用槽内的工作空间，所以深受企业青睐。
    (3)许多企业喜欢用烘干箱干燥工件，以为将工件加热到100℃左右时，水分就会很快蒸发。殊不知，水分的蒸发速度不仅与温度有关，还与烘箱内空气的流动量有关。用于烘干工件的烘箱，必须加大箱内空气的流动量，不断地把箱内含水分多的空气排至箱外，使箱内始终保持较低的相对湿度。如此一来，即使烘箱内的温度只有60～70℃，水分的蒸发速度也会很快。因此必须把不适用于工件干燥的烘干箱淘汰掉。干燥工件表面的最好办法是，先用低压、大流量的空气将工件表面上大部分的水吹扫掉，然后再用热风吹干或加热烘干，这样既快速又节能。
2．2．4  既要搞好废气治理，又要节约能源
    废气治理是一项耗能大的处理工序，必须从改革工艺和装备着手，才能既搞好废气治理，又节约能源。
首先，应该积极采用如喷丸、振动光饰、滚光等机械或机械与化学相结合的方法替代有害气体产生量大的酸洗、化学抛光等化学表面准备工艺，或者采用生产时有害气体产生量少的功能溶液进行加工，又或者在功能溶液中添加抑雾剂，从源头上削减有害气体的产生量。
    其次是改进装备，如增加槽子的深度。在不减少工作浓度的条件下，降低槽内液面的高度，使液面与槽口抽风罩之间的距离大于300 mm。实践证明，此举能有效地减少有害气体外逸。在抽风槽两侧的抽风罩风口上方，增加两块可向外开启的活动板(宽度以不影响工件出入槽为准)，在生产时用于遮盖部分液面的投影面积，这样能显著提高抽排有害气体的效率，在保证同样的抽风效果的前提下，可降低l0％～20％的抽风量，从而达到节能的目的。将原来采用双侧抽风的槽子改为一侧抽风、另一侧送风的形式，也是一种有效的节能方法，其抽风效果胜过双侧抽风。具体方方是：在槽的一侧通过稍向下倾斜（约5º）的风口向对面吹微风，将液面上的有害气体柔和地推向另一侧，另一侧的抽风罩则可用正常的抽风速度轻松地将有害气体抽走。当槽子的宽度于大0.8m时，其效果更明显。
2．3提高电镀质量控制能力
    电镀生产过程的质量控制能力历来是企业的薄弱环节。从表面上看，提高生产过程的质量控制能力，是为了提高加工合格率和稳定加工质量，其实就是从源头上削减因加工件返修、报废而产生的污染物数量以及资源、能源的浪费。再进一步看，将溶液维护好，使溶液的工作性能保持稳定，免除镀液故障，可延长其使用寿命，减少更换频次，也是从源头上大幅度削减废液的产生量。
    提高电镀生产过程的质最控制能力，就是要提高对溶液成分和工艺性能检测的能力、对镀层质量检测的能力和对溶液维护的能力。
2．3．1  提高溶液成分和工艺性能的检测能力，改进溶液维护方式
    提高溶液成分和工艺性能的检测能力，就是要引进能够对溶液成分、工艺性能和杂质含量进行快速分析的方法和相应的仪器装备，以改变原来只会使用分析速度较慢的经典化学分析方法对溶液成分和杂质含量实行长周期检测的传统，为的是将溶液成分、工艺性能和杂质含量的检测周期缩短到以班为周期，根据溶液生产负荷的大小在每班中实行多次检测，并将检测信息绘制成溶液成分、工艺性能和杂质含量变化的走势图，及时反馈到生产线上，指导工人用“少吃多餐”的方式，在辅助槽中多频次地补充溶液成分的消耗，与生产同步地处理溶液中的杂质，防止杂质的积累，使溶液成分、工艺性能和杂质的含量始终稳定在最佳范围之内，从而消除镀层质量随溶液成分和工艺性能的周期性振荡而产生周期性起伏的现象，使镀层质量持续稳定。这就是笔者所期望实施的现代溶液维护理念。
    笔者并不是主张经济实力尚不足的企业现在就去购买高科技的快速分析仪器，但是为了实施上述理念，使用一些分析精度虽稍低、但分析速度较快的方法和仪器也是必要的。如果企业能得到化学分析专家的帮助，则一定会学到更多、更有效的快速分析方法。
    实践证明，已经被电镀界使用了70年的霍尔槽试验方法，至今还是一种非常适用于现场快速检测镀液工艺性能(如覆盖能力、分散能力、整平性、电流效率等)的手段，值得继续推广应用。通过它还可以快速判定镀液中某些用常规的化学分析方法难以快速测定的成分的含量，指导溶液成分的调整，判定镀液中主成分的近似含量、镀液中有机添加剂的近似含量、杂质的影响等，关键在于掌握好其使用诀窍。
2.3.2 提高镀层质量的检测能力，严把电镀质量关
    把好镀层质量事后检验关也非常重要，人们可以从检验所得的数据，判定加工质量的稳定程度，及时发现质量开始变差的各种蛛丝马迹，进而从源头加以纠正。
    但是许多电镀企业，其镀层质量事后检验的能力不强，在生产现场对镀层进行无损检测的能力则更差。客户也很少关注电镀企业是否具有良好的镀层质量事后检验能力。企业通常只在现场对加工件进行外观检查。镀层外观虽是镀层质量最直观、最起码的质量要求，但它无法全面反映镀层的各种物理化学性能的好坏。
    例如，镀层厚度是标志镀层质量的重要指标之一，厚度的大小影响使用寿命，而其分布的均匀程度不仅影响使用性能，还影响镀层金属的利用率，但很少有企业配备能够在生产现场无损检测镀层厚度的仪器。又如，有些承接高防护装饰性多层镀镍加工的企业，却不配置能考核工件表面半光镍层和光亮镍层各自的厚度以及它们之间的电位差的仪器，并据此进行质量控制。为此，企业有必要按照质量控制的需要，在技改时充实必需的镀层质量检测装备。
2．3．3  提高溶液维护能力，延长溶液使用寿命
    除了依靠管理，强化对溶液的维护之外，充实必要的溶液维护装备也是至关重要的。例如：为除油溶液槽配置能够撇除液面上漂浮的油花和进行油水分离的装置，延长除油溶液的使用寿命；配备制造去离子水的装置，用去离子水来配制镀液和回收清洗水，防止自然水中的杂质进入镀液和回收槽；为镀液配置连续过滤泵，对镀液实行连续过滤和搅拌，与生产同步地滤去悬浮在镀液中的各种固体微粒；为镀液配置活性碳过滤装置，对镀液进行定期或连续的过滤，及时清除镀液在生产过程中产生的有机添加剂低分子分解产物；在生产线外，为镀槽配置一个辅助槽(见2．1节中相关论述)。
2．4更新工艺，减少有毒、有害原料的使用
    近年来，电镀市场上出现许多用低毒、低害原料配制的、工艺性能优秀的新工艺产品，如三价铬镀装饰铬、碱性锌酸盐镀锌、锌层三价铬钝化、铝合金无氰沉锌、碱性无氰镀铜、无铬电解抛光、铝合金无黄烟化学抛光等，它们代表了电镀技术的进步。积极采用低毒、低害的新工艺，替代原有的有毒、有害工艺，从源头开始削减有害、有毒物质的使用数量，减少污染物的产生，降低污染物末端治理的负担和费用，对企业实现清洁生产而言至关重要。值得注意的是，企业在更新原来熟悉的工艺时，做法一定要稳妥。企业应该准备充裕的时间，通过调查，选准性价比优秀的新工艺产品，进行必要的生产性考核，验证其效果以及对本企业生产的适应性，同时让操作工人充分掌握其操作特性和质量控制要点。
3值得注意的几个问题
    (1)为实施清洁生产而进行的技改是一项系统工程，在规划技术改造方案时，除了关注上述4个方面的问题之外，还必须联系本企业的实际，关注改造的其它许多细节，细节往往会影响大局。企业完成了技改，只能算是为贯彻清洁生产理念创造了条件，能否真正地实现清洁生产，管理才是关键。俗话说：“管理出效益。”只有企业的全员提高了对清洁生产理念的认识、相关人员通过了培训、各项配套技术和管理措施的执行实现制度化、《电镀行业清洁生产评价指标体系(试行)》中规定的定量化评价指标和定性评价指标持续地保持达标，企业才算基本上实现了从“三高”为特点的粗放型生产经营模式到清洁生产模式的大跨度转变。
    (2)只有出于对环境保护的高度责任感，坚信实施清洁生产后必定能够做到经济效益和环境效益的统一，才能积极推动本企业的技术改造。企业不必担心技改之后的成本会提高，从而有可能失去市场竞争力。企业通过技术改造，稳定了加工质量，节约了水资源，提高了资源的利用率，降低了能耗，减少了有毒、有害原料的使用数量，降低了污染物的排放总量，缩小了末端治理的规模，所反映出来的效果必定是生产运行成本的降低和效益的增加。虽然企业的管理成本会比过去有所增加，但是随着素质的提高，企业具备了进入中高端产品制造领域产业链的条件，这一定会为企业争得更好的效益。
    (3)电镀企业进行清洁生产技术改造或进入电镀工业园重新建设生产线，接近或等同于重新建一个工厂。这不仅是电镀企业转变生产经营模式的重要机遇，也是电镀企业调整和提升自己的良好时机。改革开放以来，我国制造业虽发展很快，但是产业层次偏低，因此许多电镀企业即使素质不高、生产粗放，却仍然能够占据一定的市场。但是电镀企业应该觉察到，在经济政策的引导下，我国的制造业正悄悄地向产业层次高、质量要求高、技术含量高的方向升级。如果电镀企业不能及时调整和提升自己，适应正在悄悄改变的市场，那么总有一天会被淘汰出局。因此企业在规划清洁生产技改方案时，也应该同时筹划企业今后的发展方向，考虑如何实行企业互补性的联合重组、如何规避发展风险和如何更新传统工艺以适应品质要求高、技术含量高的产品的表面处理等问题。清洁生产技术改造虽然是一种工艺性的改造，但也应该服务于企业发展的需要。企业应该珍惜这种改造机遇。
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